CN115987739A - 一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法，包括：在通信感知一体化***中引入双时间尺度，利用信道中散射体状态在多个信道相干时间内保持不变的特性，联合多个信道相干时间内收到的导频信号，进行信道估计和环境感知；根据估计到的信道各路径时延和信道复增益，在每个相干时间内，对接收信号，进行逐路径时延补偿和接收波束赋形，解调信号；联合多个信道相干时间内已解调的通信信号和导频信号，对每条路径进行多普勒频率估计；根据估计到的多普勒频率和时延，对剩余接收信号进行时延和多普勒对齐，逐路径波束赋形，解调信号。本发明实现了单载波低峰均比***间串扰通信和高精度环境感知，提高了通信感知一体化***的频谱效率。
Description
技术领域
本发明属于6G无线接入网演进以及通信感知一体化信号设计、信号处理和波束赋形领域，尤其涉及一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法。
背景技术
通信感知一体化(integrated sensing and communication,ISAC)作为6G的一个新兴研究领域，引起了各界广泛的研究兴趣。一般来说，ISAC可以基于单站或者双站两种架构实现。对于单站ISAC，通信基站或者用户同时作为通信/感知信号的发送端，以及雷达感知的接收端。在这种情况下，通信和感知往往具有不同的信道，因此需要各自独立分析，难以实现通信和感知互惠。另一方面，对于双站ISAC架构，在传统通信的过程中，接收端可基于收到的多径信号进行环境感知，因此通信和感知共享同一信道。特别地，当信号频段逐步向毫米波、太赫兹波段迈进，信道具有稀疏性，并呈现出一定的几何特性，环境感知和通信信道估计可以相互结合，实现互惠。
另一方面，对于双站ISAC而言，尽管可以认为通信和感知共享同一信道，但通信和感知各自感兴趣的信道参数却有着不同的时间变化尺度。对于通信而言，需要估计由所有路径叠加而成的时频信道增益或信道脉冲响应(channel impulse response,CIR)，其往往在毫秒(millisecond,ms)级变动。然而，对于感知而言，最感兴趣的是各路径对应散射体的状态信息(如角度、时延、多普勒频率)。相对于CIR，其往往变化得较慢，通常可以认为在几十甚至几百个毫秒内保持不变。因此，可以在不同时间尺度上进行通信和感知信号处理。
传统通信波形，如正交频分复用(orthogonal frequency divisionmultiplexing,OFDM)在低频低速场景中具有很好的性能。然而，对于毫米波等高频段，以及高速场景，信道的多普勒频偏愈发严重，严重降低了OFDM的通信和感知性能。另一方面，OFDM受限于高峰均功率比(peak-to-average-power ratio,PAPR)和低发送能量，严重制约了其在通信感知一体化***中的性能。
发明内容
本发明目的在于利用通信和感知的双时间尺度，，提供一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法,以解决基于环境感知，解决高速移动场景下通信感知一体化***中信道估计复杂度高、开销大的问题，以及传统OFDM信号峰均比过高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法，包括以下步骤：
步骤1、根据先验的信道和环境信息，划分通信感知一体化***中信道的双时间尺度，其中一个环境状态不变时间内包含多个信道相干时间；对于通信，信道相干时间是指信道脉冲响应在该时间内保持不变；对于感知，环境状态不变时间是指各路径对应散射体的状态信息包括角度、时延和多普勒频率在该时间内保持不变。
步骤2、根据步骤1中的双时间尺度划分，利用信道中散射体的状态信息在多个连续信道相干时间内保持不变的特性，联合多个信道相干时间内接收到的导频信号，利用信道的稀疏性，基于分布式压缩感知算法，进行信道估计和环境感知，估计各路径时延、到达角度和信道复增益；
步骤3、根据估计到的各路径时延和信道复增益，在各个信道相干时间内，对接收到的多径信号进行逐路径时延补偿和接收波束赋形，解调通信信号；
步骤4、联合多个信道相干时间内解调出的通信信号和已知导频信号，根据步骤2中估计到的各路径角度和时延信息，对每个路径生成角度时延域的二维匹配滤波器，利用匹配滤波分解各个路径，并对每条路径进行多普勒频率估计；
步骤5、根据步骤2中估计到的各路径时延和信道复增益和步骤4中估计到多普勒频率，对一个环境状态不变时间内剩余的多个信道相干时间内接收到的通信信号联合处理，逐路径进行时延和多普勒补偿，以及接收波束赋形，解调通信信号。
进一步地，根据通信信道响应和感知散射体状态信息在不同时间尺度上变化的特性，面向通信和感知信号处理进行双时间尺度划分；对于通信，信道脉冲响应在一个信道相干时间内保持不变；对于感知，环境中散射体的状态信息在一个环境状态不变时间内保持不变。
进一步地，步骤2中，通过利用信道中散射体状态在多个连续信道相干时间内保持不变的特性，以及毫米波信道的稀疏性，运用分布式压缩感知算法，挖掘不同信道相干时间内接收到导频信号具有相同的稀疏结构，将多个信道相干时间内接收到的导频信号进行联合处理，估计导频信号经过不同散射体到达接收端的角度、时延，以及各路径信道复增益。
进一步地，步骤3中，时延补偿和接收波束赋形均在接收端进行处理，在复杂多径环境中，发射端仅需单载波传输，降低了发射端复杂度，实现了低峰均比***间串扰通信。
进一步地，步骤4中，根据步骤2中估计的各路径到达角度和时延，利用毫米波信道的稀疏性和大规模天线阵列的丰富的空间自由度，在角度时延域，设计二维匹配滤波器可分离多径信号，对每一路信号进行多普勒估计，降低算法复杂度。此外，步骤4中，联合多个信道相干时间中已解调的通信信号和已知的导频信号进行多普勒估计，可提高输出信噪比，提升多普勒频率估计精度。
进一步地，步骤5中，对于同一个信道状态不变时间内，散射体的状态信息保持不变，对于剩余信道相干时间，不必进行信道估计，无需导频开销。根据步骤2和步骤4中估计的各路径时延、多普勒和信道复增益，进行逐路径时延多普勒补偿和波束赋形，可实现高频谱效率***间串扰通信。
本发明的一种基于双时间尺度的通感一体化***及信号处理方法具有以下优点：
1、本方法利用通信和感知的双时间尺度，联合多个信道相干处理时间，挖掘在毫米波大规模MIMO信道下，不同信道相干时间内接收到的信号在角度时延域上具有相同的稀疏性，基于分布式压缩感知算法，可在较低导频开销下，联合多个信道相干时间内的导频实现高分辨率环境感知和信道估计。
2、本方法基于时延多普勒对齐调制，可将复杂的时频双选衰落信道转化为简单的复高斯信道，利用简单的单载波传输，就可实现低峰均比***间串扰通信。
3、本方法基于通感一体化***的双时间尺度，利用散射体状态信息在多个信道相干时间内保持不变的特性，利用已估计到的信道各路径时延、多普勒和信道复增益信息，接收端利用简单的时延多普勒对齐和波束赋形设计，就可实现高速率通信，无需重复进行信道估计，降低了***的导频开销。另外，对于每个信道相干时间内只需要***一个保护间隔以避免不同相干时间块之间的干扰，与传统OFDM相比，本方法降低了通信的开销，提高了通信的频谱效率。此外，与传统OFDM相比，本方法还具有较低的峰均比。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多径环境下双站通信感知一体化***示意图；
图2为本发明实施例提供的通信和感知信道双时间尺度示意图；
图3是本发明实施例提供的基于双时间尺度的通信感知一体化信号发送方案图。
图4是本发明实施例提供的基于双时间尺度的通信感知一体化接收信号处理流程图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于双时间尺度的通感一体化***及信号处理方法做进一步详细的描述。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
图1是根据实施例示出的多径环境下双站通信感知一体化的场景，其中通信基站和通信用户分别作为通信感知一体化的接收机和发送机。通信用户发送信号进行上行通信。通信基站服务用户上行通信的同时，利用接收到多径信号进行环境感知和信道估计。
图2是根据实施例示出的通信和感知信道双时间尺度示意图。通信信道响应和感知中散射体的状态包括，角度、时延、多普勒频率，在不同的时间尺度上变化。对于通信，认为其信道冲激响应h(t,τ)在一个信道相干时间Tc内保持不变；对于感知，认为多径信号经环境中散射体到达基站的多径数目L以及每路信号的时延τl、到达角度θl、多普勒频率νl和信道复增益αl在一个信道状态不变时间
内保持不变，即散射体状态信息η(t)在第q个信道状态不变时间内
有
其中，一个环境状态不变时间
包含K个信道相干时间Tc，即
图3是根据实施例示出的基于双时间尺度的通信感知一体化信号发送方案。对于一个环境状态不变时间
将前J个信道相干时间Tc划为第一阶段，后K-J个信道相干时间Tc划为第二阶段，其中J＜K。对于第一阶段，以信道相干时间Tc为周期，发送导频信号和通信数据。接收端利用导频和解调出的通信信号进行信道估计和环境感知。利用已估计到的信道，第二阶段无需发送导频和进行信道估计，全部发送通信信号。
图4是根据实施例示出的基于双时间尺度的通信感知一体化接收信号处理流程。基站预先设置第一阶段和第二阶段的时间长度，接收到信号进行如下处理：首先累计时间长度为JTc的接收信号，利用信道在角度时延域的稀疏性，对接收信号进行离散，构建压缩感知信号恢复问题。接着，利用信道状态信息在T内不变的特点，联合第一阶段内J个信道相干时间内收到的导频信号，基于分布式压缩感知算法，估计接收多径信号的数目，时延、到达角度以及信道复增益。接着，利用已估计到的信道，对每个信道相干时间内收到的通信信号进行解调，并将解调后的数据保存，用于后续多普勒估计。联合第一阶段收到的导频和通信信号进行多普勒估计。最后，第二阶段利用第一阶段估计到的信道参数进行基于时延多普勒对齐调制的通信数据解调。
基于以上定义，实施例的具体实现步骤可概括为如下：
步骤1、参数初始化。基站和用户根据先验信息预先设置第一阶段和第二阶段信号的时间长度，即
步骤2、基站接收用户第一阶段发送的信号。对接收信号在角度时延域进行离散，构建压缩感知信号恢复问题。利用信道状态信息在多个信道相干时间内保持不变的特性，联合第一阶段J个信道相干时间内收到的导频信号，利用其共有的稀疏性，基于分布式压缩感知算法估计接收信号的多径数目
以及各路径信号的到达角度
时延
信道复增益
步骤3、基站根据已估计到的信道参数
设置各路径的时延补偿参数
其中
设置各路径的多普勒补偿参数为
逐路径波束赋形迫零消除接收信号的码间串扰，并解调通信信号。
步骤4、基站根据步骤2估计得到的各路径到达角度和时延、已知的导频信号以及步骤3中解调恢复得到的通信信号，逐路径设计角度时延域的二维匹配滤波器。基站逐路径进行二维匹配滤波，联合第一阶段J个信道相干时间匹配滤波器的输出结果，基于快速傅里叶变换估计各个路径的多普勒频率为
步骤5、基站接收用户第二阶段发送的信号，并根据步骤2和步骤3中估计得到的信道参数
设置各路径的时延补偿为
和多普勒补偿为
基站进行逐路径迫零接收波束赋形消除接收信号的码间串扰，并解调通信信号。
上述方法利用通信和感知信道的双时间尺度，通过联合多个信道相干时间内的导频信号进行信道估计和感知(步骤2)，相对于传统方法只在一个相干时间内进行信道估计，具有更高的估计精度，且不需要重复估计。同时，在基站接收端进行时延多普勒对齐调制的通信信号解调(步骤3)，对用户端的要求较低，用户通过简单的单载波信号传输就可实现复杂多径环境的***间串扰高速通信，相比于该环境下传统的OFDM传输，降低了PAPR和循环前缀的开销，提高了通信的频谱效率。此外，基站端通过联合第一阶段多个信道相干时间内的导频和通信信号(步骤4)，进行多普勒估计，相对传统仅基于导频估计多普勒的方法，可获得更高的信噪比和估计精度。最后，基站端利用第一阶段已估计的信道参数，在第二阶段，基于时延多普勒对齐调制，可无需进行信道估计就可实现***间串扰高速率通信(步骤5)。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (6)
1.一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据先验的信道和环境信息，划分通信感知一体化***中信道的双时间尺度，其中一个环境状态不变时间内包含多个信道相干时间；对于通信，信道相干时间是指信道脉冲响应在该时间内保持不变；对于感知，环境状态不变时间是指各路径对应散射体的状态信息包括角度、时延和多普勒频率在该时间内保持不变；
步骤2、根据步骤1中的双时间尺度划分，利用信道中散射体的状态信息在多个连续信道相干时间内保持不变的特性，联合多个信道相干时间内接收到的导频信号，利用信道的稀疏性，基于分布式压缩感知算法，进行信道估计和环境感知，估计各路径时延、到达角度和信道复增益；
步骤3、根据估计到的各路径时延和信道复增益，在各个信道相干时间内，对接收到的多径信号进行逐路径时延补偿和接收波束赋形，解调通信信号；
步骤4、联合多个信道相干时间内解调出的通信信号和已知导频信号，根据步骤2中估计到的各路径角度和时延信息，对每个路径生成角度时延域上的二维匹配滤波器，利用匹配滤波分解各个路径，并对每条路径进行多普勒频率估计；
步骤5、根据步骤2中估计到的各路径时延和信道复增益以及步骤4中估计到多普勒频率，对一个环境状态不变时间内剩余的多个信道相干时间内接收到的通信信号联合处理，逐路径进行时延和多普勒补偿，以及接收波束赋形，解调通信信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法，其特征在于，步骤1中，根据通信信道响应和感知散射体状态信息在不同时间尺度上变化的特性，面向通信和感知信号处理进行双时间尺度划分；对于通信，信道脉冲响应在一个信道相干时间内保持不变；对于感知，环境中散射体的状态信息在一个环境状态不变时间内保持不变。
3.根据权利要求2所述的一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法，其特征在于，步骤2中，通过利用信道中散射体状态在多个连续信道相干时间内保持不变的特性，以及毫米波信道的稀疏性，运用分布式压缩感知算法，挖掘不同信道相干时间内接收导频信号具有相同的稀疏结构，将多个信道相干时间内接收到的导频信号进行联合处理，估计导频信号经过不同散射体到达接收端的角度、时延，以及各路径信道复增益。
4.根据权利要求3所述的一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法，其特征在于，步骤3中，时延补偿和接收波束赋形均在接收端进行处理，即使在多径环境中，发射端仅需简单的单载波传输，就可实现低峰均功率比的***间串扰通信。
5.根据权利要求4所述的一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法，其特征在于，步骤4中，根据步骤2中估计的各路径到达角度和时延，利用毫米波信道的稀疏性和大规模天线阵列丰富的空间自由度，在角度时延域，设计二维匹配滤波器可分离多径信号，对每一路信号，联合多个信道相干时间中解调的通信信号和已知的导频信号进行多普勒估计。
6.根据权利要求5所述的一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法，其特征在于，步骤5中，对于同一个环境状态不变时间内，散射体的状态信息保持不变，对于剩余信道相干时间，不必进行额外信道估计，无需导频开销；根据步骤2和步骤4中估计的各路径时延、多普勒和信道复增益，进行逐路径时延多普勒补偿和波束赋形。
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